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关键词： 功率器件   IGBT   开关过冲   CSR   H注入  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)因为其具备的大负载输出能力、开关频段宽、可控性高、安全性强的特性,在新能源车和城市轨道交通等技术方面得到广泛应用。场截止式IGBT(Field-Stop IGBT,FS-IGBT)则在此基础上有着更低的开关损耗而为现今的主要技术。但是随着器件的开关速度越来越快,FS-IGBT在关断期间所产生的电压过冲的影响就会越来越明显,不仅为器件的可靠性埋下了隐患,严重时更是会影响整个系统。本文旨在改善FS-IGBT器件在关断期间所产生的电压过冲以及振荡现象。本论文基于1200V/40A沟槽栅FS-IGBT为背景进行改善,本产品在母线电压为600V、栅极电阻10Ω的情况下在关断期间所产生的尖峰电压超过1000V并且后续伴随着较为严重的振荡现象。通过研究关断过冲的产生机理,并在工艺上进行优化,成功将产品的尖峰电压在此测试条件下降至800V以下,并且在很大程度上减缓了后续的振荡现象,达到了实验的预期目的。本文的安排如下:1.对IGBT器件的发展进程以及工作原理等进行简要的介绍,之后针对器件开关阶段所产生的过冲原因进行阐述,并从中分析出其过冲现象的产生机理。2.使用Sentaurus仿真软件对器件进行模型搭建,并对所搭建的器件模型进行一系列的参数测试以保证与实际产品规格相同。通过改变测试电路中的母线电压、负载电流、栅极电阻以及器件的漂移区厚度等,来观察这些参数的改变对于器件在关断期间所产生的电压过冲大小的影响趋势。最后根据仿真的结果提出了改善思路。3.对半导体制造中常见的工艺进行介绍并简要介绍一些在流片过程中的注意事项。后对流片结果进行分析总结,验证实验结果已达到预期目标。

关键词： 氢燃料机车   直接转矩控制   空间矢量调制技术   超螺旋滑模控制   转矩脉动  

摘要： 在国家提倡低碳环保的今天,铁路机车的节能环保逐渐受到重视。结合新能源技术对现有的内燃机车进行改造,将内燃机车升级为氢燃料电池混合动力机车,降低了燃油消耗减少了排放,符合当前轨道交通车辆的发展趋势。氢燃料电池混合动力机车的牵引电机是机车牵引系统的核心,对机车的行驶速度与行驶平稳性起着重要作用。为了满足氢燃料机车的运行要求,牵引电机目前采用永磁同步电机,与其他电机相比,永磁同步电机具有体积小、功率高、控制精度高的优点,但控制过程复杂。本文将针对电机直接转矩控制系统(Direct torque control,DTC)的转矩脉动等问题,通过改进算法,进而提升永磁同步电机的性能,具体研究过程如下。首先,为了研究氢燃料电池机车牵引电机,选取一套混合动力结构,并归纳总结永磁同步电机的调速方法,基于永磁同步电机的机械结构推导建立电机的数学模型,为了便于电机控制,构建坐标转换公式,详细分析直接转矩系统的各模块以及模块之间的关系,为下一步改进算法提供理论基础。其次,电压开关表以及滞环控制器的原因导致DTC系统存在转矩脉动问题,针对转矩脉动问题,本文将采取两种方式用以改善,第一种方式为采用空间矢量调制技术(SVPWM)以及PI调节器代替电压开关表以及滞环控制器;第二种方式在采用空间矢量调制技术的同时,引入了超螺旋滑模控制构建转矩与磁链的滑模控制器用以替代滞环控制器,并在MATLAB/Simulink环境下建立传统DTC、基于SVPWM的DTC与基于超螺旋滑模控制的DTC三种仿真模型,并对上述三种控制系统进行对比,仿真结果显示,SVPWM以及超螺旋滑模控制器都可以降低电机运行时的转矩脉动,能够提高永磁同步电机的控制精度。最后,以STM32F407芯片作为控制芯片,搭建试验平台用于快速验证理论,设计硬件控制电路包括驱动电路以及电流检测电路,为了实现电机控制算法,在Keil5平台上以C语言为基础构建了软件编程系统,并结合对应流程图进行描述,并对该系统进行转速与转矩的测试,观察控制系统的稳定性。

关键词： IGBT   母排   电磁干扰   磁场分布   PINN   有限元分析  

摘要： 近年来,随着新能源的快速发展和能源转型的迫切需求,电力电子技术在电力领域的应用越来越广泛。其中,绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为一种重要的功率半导体器件,具有开关速度快、控制灵活等优点,广泛应用于电力电子转换、调节和控制系统中,在现代电力电子技术中具有重要的地位和作用。然而由于IGBT模块开通、关断过程中极高的电压、电流变化率而引发的电磁兼容问题也越来越突出,其产生的电磁干扰往往会影响到附近电子设备的正常工作。同时母排作为电力电子变换装置中传输电能的重要元件,也因其高电流、高频率的工作特性会导致在工作时产生较强的电磁干扰。为了能够提高电力电子装置内部的电磁兼容性,针对IGBT模块和母排的辐射电磁干扰特性,本文展开如下研究:首先,本文通过仿真分析IGBT模块的工作特性指出了其电磁干扰的来源,然后在Ansys仿真平台中对IGBT模块及其散热器建立了三维仿真模型,以有限元分析法为基础研究了 IGBT模块及散热器在开通、关断过程中的辐射电磁干扰特性,得到了其周围干扰磁场的分布情况和不同位置的磁场强度变化规律,以及其辐射电磁干扰对驱动板的影响。所得到的仿真结果可用于优化电力电子装置内部的元器件布局,提高设备的电磁兼容性。之后本文引入物理信息神经网络(Physics-informed Neural Network,PINN),提出利用物理信息神经网络求解麦克斯韦方程组的方法来计算母排产生的辐射干扰磁场分布。与传统有限元方法相比,物理信息神经网络方法具有更高的计算效率,能够精确地计算母排的辐射干扰磁场分布。仿真结果表明,本文所提出的方法可以准确的计算出母排辐射干扰磁场分布,能够很好地模拟母排的辐射干扰磁场特性,为相关领域的工程实践提供了新的思路和方法。因此,本文的研究对于进一步理解母排的辐射干扰磁场分布特性,以及物理信息神经网络在电磁场领域的工程实践都具有重要的意义。

关键词： 随机微分方程   Laplace算子   弱解   最优控制  

摘要： 分数阶微分算子可以简洁、准确地描述具有某些复杂的力学与物理过程,且建模简单、参数意义清楚、描述准确,因而最近成为复杂力学与物理过程数学建模的重要工具之一.现实世界中,实际问题不可避免地受到随机因素的干扰,因此在实际的模型应用中,可能由于微小的随机扰动导致模型需要重新建立,这时随机项的引入变得重要.本文主要讨论几类随机分数阶Laplace系统解的存在唯一性及相关问题.首先,研究了一类带有分数阶Laplace算子的It(?)型随机微分方程,给出了分数阶Laplace算子的相关性质,利用Gal(?)rkin方法讨论了该方程的弱解的全局存在性和唯一性.然后证明了对应的随机控制问题存在着最优控制.其次,考虑了一类带有分数阶Laplace算子的Stratonovich型随机微分方程.在一定的条件下,通过引入一个新的随机变量转化为路径确定性方程,由此利用Gal(?)rkin方法研究了解的局部存在性和唯一性.然后讨论了解的能量估计、可测性和关于初值的连续性.

关键词： 智能发电控制   矢量控制   模糊矢量强化学习   基于差分进化的自适应人工情感   混合多智能体情感深度Q网络控制框架  

摘要： 随着可再生能源大规模发电并网,加之储能装置技术愈发成熟,自动发电控制面临严峻挑战。一方面,可再生能源发电具有波动性和不确定性,可再生能源大规模并网降低了系统惯性;另一方面,发电机和储能装置的爬坡速率不同,源储协同调频存在一定难度。随着人工智能技术的快速发展,由于智能算法具备优秀的学习和决策能力,因此基于智能算法的智能发电控制为自动发电控制问题提供了一种解决思路。本文针对自动发电控制的算法问题,设计了混合多智能体情感深度Q网络控制框架,同时设计了一种适配该控制框架的智能发电控制结构。本文主要研究内容为: (1)针对源储协同调频问题,提出一种包含两个独立子算法的矢量控制方法。在原有状态变量的基础上,该方法引入储能有功功率,实现输入变量从一维到二维的提升。随后,针对所提矢量控制方法,设计了一种输入维度增加、内含三个子控制器的智能发电控制结构。与改进前的自动发电控制结构相比,该智能发电控制结构有效提高了源储协同调频能力。 (2)针对强化学习的Q表维度受限的问题,在模糊控制理论的启发下,本研究将模糊控制和强化学习相结合。通过输入数据模糊化为模糊量、模糊推理和模糊量反模糊化为精确量等操作,将阈值符合要求的状态归为一类,替代了强化学习中Q表状态的精确划分,有效避免了维度灾难。此外,为充分利用外界信息量,引入矢量控制理论,提出了一种模糊矢量强化学习控制方法。经过实验验证,模糊矢量强化学习具备可行性、可拓展性和鲁棒性。 (3)为解决复杂环境下模糊控制效果不佳的问题,引入深度学习替代模糊控制。针对深度Q网络学习率恒定和动作值离散的问题,受心理学思想启发,提出一种包含情感部分和逻辑部分的情感深度Q网络方法。该方法将情感部分应用于逻辑部分,使逻辑部分的动作值接近连续值,使学习率变为时变值。此外,为优化情感部分中线性变换系数值,并避免情感输出值始终大于1或小于1,引入基于差分进化的自适应人工情感方法。该方法利用差分进化优化线性变换系数值,并根据频率偏差正负,自适应的调节情感输出值。最后,提出一种混合多智能体情感深度Q网络控制框架,且实验结果验证了该控制框架的可行性、可拓展性和鲁棒性。

关键词： 变频器   辐射电磁干扰   在线   阻抗测量  

摘要： 随着在工业领域广泛使用的变频器的开关频率不断增加,工业大功率变频器的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)越来越严重,随着产品的国际化发展,辐射电磁干扰更成为业内关注的热点。辐射电磁干扰不仅难以抑制,而且干扰源难以确定,辐射源难以识别,干扰机理描述不够明晰,因此需要对工业大功率变频器的辐射电磁干扰进行建模研究。本文首先对大功率变频器内部电路和物理结构进行电磁兼容角度的分析,分析了大功率变频器内部存在的典型辐射源,重点对大功率变频器内部以天线辐射形式发射辐射EMI的辐射源进行了识别和分析。识别了以直流母线平面和开关管驱动回线为辐射天线的辐射EMI 源。然后,本文对大功率变频器的典型结构直流母线平面产生辐射EMI的机理进行了分析,建立了大功率变频器直流母线平面辐射EMI模型,该模型包括直流母线平面的辐射激励源模型和直流母线平面无意识辐射天线输入阻抗的模型,并分析了不同物理结构下直流母线平面的输入阻抗特性;最终建立了直流母线平面的辐射电场预估模型,描述变频器直流母线平面产生辐射EMI的机理,基于辐射电场预估模型分析了直流母线平面产生辐射EMI的特性。本文对大功率变频器的开关管驱动回线进行了辐射EMI建模,先对开关管驱动回线的激励源进行了识别,再建立了直线结构和弯折结构的开关管驱动回线的高频输入阻抗模型,后对开关管驱动回线的输入阻抗特性进行了分析;最后基于激励源和输入阻抗模型,建立了开关管驱动回线的辐射电场预估模型,基于该辐射EMI模型分析了大功率变频器开关管驱动回线的辐射EMI特性。针对变频器运行状态下的辐射激励源内阻抗难以获取的问题,本文提出了一种辐射激励源内阻抗的在线阻抗测量技术,首先分析了变频器运行状态下的干扰源对测量系统测量精度的影响机理,接着提出了一种能够滤除变频器运行状态下干扰源对测量系统精度影响的测量方法,最后搭建实验平台验证了所提出方法的有效性,并用该测量技术获取了变频器工作时直流母线平面作为辐射天线时的激励源内阻抗。最后,本文搭建了高频输入阻抗测试平台,验证了直流母线平面和开关管驱动回线输入阻抗模型的正确性;搭建了辐射EMI测试平台,验证了所提出的直流母线平面和开关管驱动回线的辐射EMI模型。

关键词： 非标准信息结构   非标准性能指标   LQ最优控制问题   极大值原理   理性预期模型  

摘要： 众所周知,在线性系统理论中,针对只含有一个控制器的线性系统和非负定的二次型性能指标的标准线性二次(LQ)最优控制问题已经得到完善解决。非标准的LQ最优控制问题因其在金融、通讯、航天等领域的强大应用背景而受到广泛的关注,但是非标准的LQ最优控制问题在理论研究上的进展缓慢,仍存在许多具有挑战性的问题。作为两类非标准的LQ最优控制问题,本文主要基于极大值原理分别研究具有多个非对称信息结构控制器的伊藤随机系统和含有乘性噪声的理性预期模型的LQ最优控制问题。主要学术贡献包括:针对具有多个非对称信息结构控制器的伊藤随机系统的LQ最优控制问题,系统的两个控制器接收到的信息不同,为非标准信息结构。首先利用变分法证明了极大值原理,进一步利用正交分解方法给出问题唯一可解的充分必要条件。在此基础上,通过解耦正倒向随机微分方程,得到最优控制策略。针对含有乘性噪声的理性预期模型的LQ最优控制问题,性能指标不满足凸性条件,为非标准性能指标。首先利用凸变分的思想建立了极大值原理,依赖于正倒向随机差分方程的解给出了问题唯一可解的充分必要条件,接着利用倒向迭代的方法,给出了正倒向随机差分方程的解析解,依托一类非标准的Riccati方程的解,进一步得到了最优控制器。主要学术创新点包括:针对于含有非对称信息结构控制器的伊藤随机系统LQ最优控制问题,信息结构是非标准的,导致传统的扩维方法失效,本文利用正交分解法,基于极大值原理,通过解耦正倒向微分方程,给出了最优控制策略,方法是创新的。针对于含有乘性噪声的理性预期模型的LQ最优控制问题,克服性能指标不满足凸性条件的困难,利用倒向数学归纳法得到正倒向随机差分方程的解析解。具体研究内容,研究结果和创新按照章节顺序叙述如下:1.对于具有多个非对称信息结构控制器的伊藤随机系统的LQ最优控制问题,首先根据变分法建立了信息结构不对称问题的极大值原理,在此基础上通过极大值原理得到了问题可解的充分必要条件,接着建立了协态和系统状态之间的非线性关系,构建了正倒向随机微分方程,将求解最优控制器问题等价于解耦正倒向随机微分方程。求解最优控制器时,作为前提先求出预报器,接着利用伊藤公式及其性质,成功解耦正倒向随机微分方程。最后,通过数值算例和单控制器情形的横向对比验证了最优控制器的准确性和优越性。2.对于含有乘性噪声的理性预期模型的LQ最优控制问题,首先基于极大值原理,依赖于正倒向随机差分方程的解得到了问题可解的充分必要条件,构建协态方程,得到正倒向随机差分方程,将求解最优控制器问题等价于解耦正倒向随机差分方程。接下来,通过倒向数学归纳法,解耦正倒向随机差分方程,进一步得到了最优控制器。最后,通过数值算例验证了结果,所得结论可用于理性预期模型的优化问题。

关键词： 并联高压 IGBT芯片   关断失效   失效原因表征   关断能力提升  

摘要： 高压IGBT芯片因其低通态管压降和较高的开关频率,被广泛应用于轨道交通、航空航天和电力系统等领域。然而,受限于单颗IGBT芯片的通流能力,往往在工程中将数十颗IGBT芯片并联封装成器件使用。同时,由于大量并联芯片间的相互作用,将会导致IGBT器件的关断能力下降,乃至器件失效,严重危害IGBT器件的安全稳定运行。目前,针对IGBT器件内芯片并联导致的关断能力下降问题,现有研究缺乏足够的实验和理论分析,且由于器件制造商的保密原因,可借鉴的国外文献相对较少。为此,本文对我国自主研制的并联高压IGBT芯片的关断能力下降问题进行了大量实验研究,并对并联芯片的动态闩锁失效、二次击穿失效及PETT振荡失效的失效原因表征方法和关断能力提升方法开展了深入的实验研究及理论分析。首先,自主研制了并联高压IGBT芯片关断失效与PETT振荡特性实验平台,并设计了近场探头标定实验平台。并联IGBT芯片关断失效特性实验平台的最高电压等级为4.5 kV,最大电流等级为900 A,最高工作温度为200℃,是目前国内文献报道中最高电压等级、最大电流等级的双IGBT芯片的实验平台。此外,自主研制的近场探头标定实验平台可实现并联IGBT芯片PETT振荡特性的准确测量。两个实验平台的设计与升级为开展并联IGBT芯片的关断失效及振荡问题奠定了扎实的实验基础。其次,研究了并联IGBT动态闩锁失效的失效原因表征方法及关断能力提升的参数筛选方法。研究了 IGBT芯片动态闩锁失效的典型波形特征,结合半导体数值计算,总结了动态闩锁失效元胞的3个典型失效特征。研究了并联IGBT芯片中的动态闩锁失效,明确关断电流重分配中芯片的电流不均是并联芯片关断能力下降的主要原因。提出了多参数组合的芯片筛选方法,有效保证芯片在1.8倍额定电流内的关断均流,改善了并联高压IGBT芯片的关断能力下降问题。再次,研究了并联IGBT二次击穿失效的失效原因表征方法,及考虑并联芯片结温均衡的封装参数匹配设计方法。对比IGBT芯片动态闩锁失效,研究了IGBT芯片二次击穿失效的波形特征、芯片内部物理场分布及失效元胞形貌,总结了 IGBT芯片二次击穿失效的失效特征及失效原因表征方法。研究了并联IGBT芯片的二次击穿失效,确定了并联芯片结温不均易引起二次击穿失效。提出了并联IGBT芯片稳态结温均衡的封装参数设计方法,所提方法避免了瞬态电热耦合计算,解耦了热容对结温的影响,并以两IGBT芯片为例验证了方法的可行性。最后,研究了并联IGBT芯片PETT振荡失效的失效机理及抑制方法。通过实验研究了 PETT振荡在不同电压、电流、温度下的特性,并给出了器件内部PETT振荡的检测流程建议。提出了考虑空穴载流子加速过程的PETT振荡频率修正公式,可将近似公式的误差由24.3%降低至2.64%。提出多芯片并联的PETT振荡反馈机制,研究指出仅需考虑IGBT器件内多端口网络的并联谐振点即可有效实现PETT振荡的抑制。提出了抑制PETT振荡的寄生电感的设计原则,并以两IGBT芯片并联为例验证了所提设计原则的有效性。

关键词： 主动均衡   反激式变压器   均衡控制策略   最优控制  

摘要： 锂离子电池具有可靠性高、环保无污染、无记忆性以及自放电率低等优点,通常被串并联成组应用于新能源汽车、新能源发电等相关领域。然而,由于制造技术的限制,各单体电池的初始容量、衰减特性及理化性质等参数存在差异,并且这种差异在使用过程中不断积累,将导致电池组出现不同位置不同程度的失衡。如果长期处于这种失衡状态,不但会造成电池组能量使用率降低,其性能衰减、不一致性、安全性问题也会日益突出,而主动均衡技术能有效解决这一瓶颈。本文以提高电池组循环寿命、改善一致性、降低电动汽车使用成本和延长续航里程为目标,开展对均衡拓扑结构以及电池组直接均衡及控制方法的研究,具体研究内容如下。 首先,对当前研究的电池组均衡拓扑结构和均衡控制策略进行梳理和归类,并分析当前主流的均衡拓扑结构和对应均衡控制策略的优缺点,以这两方面为切入点,引出对均衡结构的改进思路和开发新的均衡控制策略。 其次,针对电池组不一致性问题,概述了其产生的内在和外在原因以及具体表现形式。为了准确描述锂电池动态特性和剩余能量情况,对实验中使用的电池特性进行了测试和参数辨识,采用二阶RC等效电路模型,以SOC作为均衡变量并通过搭建仿真模型对其进行估算验证。 接着,从减少元器件使用数量、提高延展性的角度出发,对现有多重变压器均衡结构进行了改进,设计了一种新型均衡拓扑结构,并对结构中主要元件进行了参数设计。针对均衡过程中出现的尖峰电压,采用RCD(剩余电流装置)钳位电路以保障均衡电路工作的稳定性和安全性。 然后,构建了均衡系统能量流模型,研究能量存储与传输的动态规律,在此基础上提出了一种分组相邻均衡控制策略。由于电动汽车的运行工况复杂,为进一步提升系统均衡性能,建立了电池组均衡系统数学模型,基于最优控制设计了一种兼顾均衡速度、电池组一致程度和能量损耗的多目标均衡优化控制方法,对均衡系统进行综合优化。 最后,从实际应用出发,分别从硬件电路和软件策略两方面完成了对系统的设计,并搭建了12串联电池组均衡测试平台。对平台工作过程进行了信号完整性分析,通过具体均衡实验,对均衡策略和均衡效果进行了验证,结果表明设计的均衡系统能够对失衡状态下的电池组进行有效的均衡。

关键词： 工业机器人   轨迹规划   分数阶   最优控制  

摘要： 本文考虑了两类机器人运动轨迹规划问题.为寻找在满足一定约束条件下的最优运动轨迹,建立了最优控制模型,构建了数值优化算法,通过数值优化计算,得到了预期优化结果,为实际运动轨迹规划提供参考.本文的主要内容与结果如下:针对工业机器人的运动过程,建立了基于旋量的运动学模型.通过分析操作臂的各个关节矢量与末端夹持器矢量二者间的映射关系,描述机械臂运动过程,并以机械臂末端执行器的计算值与实际指定位置之间的相对误差为性能指标,以运动学方程及各个关节的活动范围为约束条件,以各个关节旋转角度为决策变量,建立了最优控制模型.为求解该模型,基于协态方法,推导了性能指标及约束关于决策变量的梯度.基于粒子群和序列二次规划法,构造了PSO-SQP混合优化算法.与D-H法建立的运动学模型相比,该方法简化了对机械机构的参数表达,求解数值可靠性更高,通过所求结果验证了方法的可靠性.考虑双轮驱动移动机器人的轨迹规划问题.考虑到分数阶微积分的粘弹性及全局性,引入分数阶导数并代替整数阶导数,建立了基于分数阶方程的双轮移动机器人的运动学模型.为使该机器人的运行时间和能量消耗最小,通过加权组合,构建了分数阶时间—能量最优控制模型.通过时间尺度变换,将终端时刻未知转化为终端时刻已知,并利用参数化方法,将最优控制问题转化为数学规划问题.考虑到模型含有待定参数,引入灵敏度函数,分析优化策略对参数的影响,进一步讨论了性能指标和灵敏度函数关于优化变量的梯度公式,构造了基于梯度的优化算法.通过大量的优化计算,得到了较为理想的数值优化结果,为实际机器人的机构设计规划提供了参考.